▲ 探測器工程師在LIGO Hanford天文臺探測器真空系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行硬件升級（圖片來源：Jeff Kissel/LIGO）

美國東部時間4月25日凌晨4點(diǎn)18分，根據(jù)初步觀測，又一輪經(jīng)過數(shù)百萬年穿越深空的引力波穿過地球。正如對蜘蛛網(wǎng)上對每一點(diǎn)細(xì)微動靜都敏感無比的蜘蛛一樣，美國的激光引力波探測器及時發(fā)現(xiàn)了這種代表過往活動的微妙震蕩。相關(guān)計算機(jī)模型得出結(jié)論，此次微波的擺動來自遙遠(yuǎn)太空的兩顆中子星。二者在距離地球5億光年的位置發(fā)生了碰撞。

而在美國東部時間次日上午11點(diǎn)22分，激光干涉儀引力波觀測臺（簡稱LIGO）又識別出另一個引力波信號。計算機(jī)模型顯示這是人類有史以來觀察到的第一次黑洞形成過程——黑洞誕生于中子星之內(nèi)，并逐步將整個星體吞噬殆盡。初步模型顯示，第二輪引力波在到達(dá)地球之前，穿過了約為12億光年的星系空間。

在這兩次觀測當(dāng)中，LIGO都成功發(fā)現(xiàn)了極為微弱的引力波活動，而這一突破性的科學(xué)成就，應(yīng)當(dāng)歸功于研究人員最近對其探測器做出的一系列改進(jìn)。

位于路易斯安那州與華盛頓州的兩座LIGO激光設(shè)施直線相距3002公里（地球表面距離為3030公里）。每座LIGO設(shè)施會將激光束分為兩個部分，這對孿生光束被傳送至長度達(dá)4公里的兩個垂直臂上。干涉儀臂中的光束在經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的反射鏡與光學(xué)元件之間往來反射，而后重新組合為光線，并由此生成精細(xì)的干涉模式。

這種模式的效果非常明顯，因?yàn)樵诠饩€行進(jìn)的路徑中，即使是微波的空間扭曲（也就是由引力波引發(fā)的時空扭曲）都會令結(jié)果產(chǎn)生顯著的變化。但問題在于：干涉儀對于鏡面及光學(xué)系統(tǒng)中的熱噪聲、設(shè)備中的電子噪聲，甚至是來自周邊地區(qū)車輛交通以及地震造成的噪聲等因素也同樣非常敏感。

噪聲干擾一直是個非常棘手的難題，這也是LIGO的研究人員在2006年到2014年期間一直無法觀察到引力波的重要原因。然而，在2015年9月14日，LIGO第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞碰撞事件——這使得三位LIGO項(xiàng)目首席調(diào)查員獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在隨后從2015年9月到2017年8月的394天運(yùn)行當(dāng)中，LIGO又陸續(xù)觀測到11次引力波事件——平均每35天檢測到一次。

在經(jīng)歷了最新一輪設(shè)備改進(jìn)之后，LIGO設(shè)施的本輪觀察從上月正式開始。而在4月，它就觀測到了五起可能的引力波事件，包括三次黑洞碰撞、中子星與中子星相撞，以及黑洞吞噬中子星。

這種每周一次的頻率可能真實(shí)反映了LIGO設(shè)施的新常態(tài)。

最重要的是，LIGO發(fā)現(xiàn)的這兩次事件都涉及到中子星。由于中子星不會吞噬碰撞過程中可能發(fā)出的光，因此其向外放射的引力與電磁輻射才更有可能長途跋涉抵達(dá)地球。（這種將引力與電磁輻射結(jié)合起來進(jìn)行觀測的方式，被稱為「多信使天文學(xué)」。）

華盛頓州里奇蘭市LIGO設(shè)施的科學(xué)家Sheila Dwyer表示：“中子星也會發(fā)光，所以世界各地的很多望遠(yuǎn)鏡都在尋找這類天體，希望能夠在不同波長的光線之下實(shí)現(xiàn)定位。LIGO項(xiàng)目的一大目標(biāo)就是通過引力波與光線的結(jié)合完成這一目標(biāo)。”

LIGO設(shè)施進(jìn)行的首次多信使觀測始于2017年8月，引力波檢測也由此拉開序幕。此后不久，出現(xiàn)了84篇令人驚嘆的科學(xué)論文，其中探討了研究人員如何檢查從伽馬射線到無線電波光譜的各類由碰撞產(chǎn)生的電磁輻射。此次被稱為GW170817的事件帶來了一系列科學(xué)成果，包括通過對引力波速度的精確計算（正如愛因斯坦所預(yù)測的那樣，引力波速度等于光速）揭開了伽馬射線爆發(fā)的神秘面紗，并在一夜之間更新了元素周期表中關(guān)于重元素宇宙來源的模型（根據(jù)對碰撞事件的引力與電磁輻射進(jìn)行研究得出結(jié)論，宇宙中比鐵重的元素大多來自GW170817這樣的中子星碰撞事件）。

▲LIGO團(tuán)隊(duì)成員安裝了真空設(shè)備（圖片來源：Jeff Kissel/LIGO）

當(dāng)S190425z與S190426c信號傳入時，世界各地的望遠(yuǎn)鏡開始指向由引力波觀測所指示出的空間區(qū)域。然而截至本文發(fā)稿之時，研究人員們?nèi)匀粵]有找到天空中存在的伴星源。

但值得肯定的是，隨著LIGO設(shè)施觀測敏感度的不斷提升，更強(qiáng)大的觀測能力使得我們有望在GW170817這一歷史性事件之后進(jìn)一步運(yùn)用好多信使觀測的強(qiáng)大力量。

Dwyer表示，LIGO的最新版本采用高效反射鏡進(jìn)行光線反射，這意味著從光線到鏡子的機(jī)械或者熱能傳遞率極低。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槠骄裕す庠谥匦陆M合并形成檢測器干涉模式之前，需要沿著干涉儀臂進(jìn)行多達(dá)1000次的自反射。

她解釋稱，“現(xiàn)在，我們的反射涂層已經(jīng)擁有極低的吸引率，即使只吸收極少量激光，光學(xué)元件也有可能因發(fā)熱而出現(xiàn)變形。”

如果LIGO團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計出損耗水平更低的鏡面涂層（這類涂層也能夠在光學(xué)、通信以及光子學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)后續(xù)應(yīng)用），那么他們將能夠通過干涉儀臂的激光功率，使其從目前的200千瓦提升至計劃中的3兆瓦。

據(jù)華盛頓州里奇蘭市LIGO設(shè)施的首席科學(xué)家Daniel Sigg所言，另一項(xiàng)改進(jìn)則涉及對激光進(jìn)行“擠壓”，處理之后的激光在幅度與寬度方面將低于海森堡不確定性原理的基本判斷。

Sigg指出：“我們無法以高精度方式同時測量光子的相位幅度或強(qiáng)度。但這無傷大雅，因?yàn)槲覀冎恍枰嬎愎庾訑?shù)，并不非常關(guān)心其相位與頻率。”

也就是說，LIGO設(shè)施會利用激光器生成“壓縮光”光束，其能夠在同一域（振幅）內(nèi)具有更高的噪聲，同時降低另一項(xiàng)屬性（相伴或頻率）的不確定性。因此在兩個光子可觀測量之間，海森堡原理仍然有效。

這使得LIGO的“眼睛”能夠捕捉到宇宙當(dāng)中越來越多活躍的天體碰撞事件；而每一次發(fā)現(xiàn)黑洞或者中子星的碰撞時，LIGO都會為我們帶來新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與潛在的衍生技術(shù)成果。